塔機(jī)回轉(zhuǎn)支承高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度校核的探討

李 蕾/LI Lei（山東國弘重工機(jī)械有限公司，山東 淄博 256401）

塔機(jī)回轉(zhuǎn)支承高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度校核的探討

李 蕾/LI Lei
（山東國弘重工機(jī)械有限公司，山東 淄博 256401）

[摘 要]本文推導(dǎo)出計(jì)算高強(qiáng)螺栓最大外拉力的公式，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，引用高強(qiáng)螺栓許用外拉力作為回轉(zhuǎn)支承高強(qiáng)螺栓外拉力的上限，并以此開發(fā)了回轉(zhuǎn)支承螺栓的校核小程序，從而使回轉(zhuǎn)支承高強(qiáng)螺栓的計(jì)算更加簡(jiǎn)單、方便，并用有限元方法驗(yàn)證了此程序和方法的正確性。

[關(guān)鍵詞]塔式起重機(jī)；回轉(zhuǎn)支承；高強(qiáng)螺栓；結(jié)構(gòu)計(jì)算

塔機(jī)的回轉(zhuǎn)支承是塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重要部件，承受彎矩、壓力和扭矩，其強(qiáng)度校核尤其重要，其選型和校核計(jì)算可以根據(jù)規(guī)范GB/T 13752-1992《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式來進(jìn)行。然而，規(guī)范中介紹的回轉(zhuǎn)支承高強(qiáng)螺栓的強(qiáng)度校核方法雖然簡(jiǎn)便易行，但偏于保守，并且沒有考慮螺栓桿長度的因素，而實(shí)際上螺栓的拉伸段長度影響高強(qiáng)螺栓承受外拉力的能力，而且此影響還比較明顯。

1 螺栓最大拉力的公式推導(dǎo)

1.1 在彎矩M作用下產(chǎn)生的最大螺栓拉力

當(dāng)高強(qiáng)螺栓群受到彎矩M時(shí)（作用方向使螺栓受拉，見圖1），由于高強(qiáng)度螺栓的外拉力N必須小于預(yù)拉力Pg，確保連接件在M作用下，其接觸面始終保持緊密貼合。故可按中性軸位于螺柱群重心軸線上來計(jì)算，即每個(gè)螺栓受到的力N與螺栓到中性軸的距離y成正比

圖1　 回轉(zhuǎn)支承高強(qiáng)螺栓的力學(xué)模型

代入力矩平衡條件，則

則有

離中性軸最遠(yuǎn)的螺栓受力最大，其值為

其中，n為螺栓個(gè)數(shù)。

1.2 在彎矩M和壓力FN作用下螺栓的拉力

2 螺栓強(qiáng)度的校核[1]

在受拉連接中,單個(gè)摩擦型高強(qiáng)螺栓沿螺桿軸向的許用承載力[Pt]按下式計(jì)算，且不宜大于Pg

式中 σsl— 高強(qiáng)螺栓鋼材的屈服點(diǎn)，有確切數(shù)據(jù)按值選取，也可按表1中最低值選??；

At—螺栓的有效面積，在表1中選??；

β— 載荷分配系數(shù)，與連接板總厚度L和螺栓（公稱）直徑d有關(guān)，按下式計(jì)算：L/d≥3時(shí)β=（0.26-0.026L/d）+0.15，L/d＜3時(shí)β=（0.17-0.057L/d）+0.33；

n——安全系數(shù)。

即外拉力在螺栓連接中不得大于[Pt]。

表1　 結(jié)果比較

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 實(shí)例描述

以某廠的P7524平頭塔機(jī)回轉(zhuǎn)支承高強(qiáng)螺栓斷裂事件為例，斷裂事故發(fā)生在新增加的35m臂長的工況，最大幅度起吊8.9t，經(jīng)過計(jì)算，該工況比原設(shè)計(jì)的彎矩M大很多。

3.2 實(shí)例的原始參數(shù)

螺栓斷裂工況的原始參數(shù)：d=24mm；L=35mm；n=60；D=1 810mm；M=3 118 000Nm（最大值），F(xiàn)N=710 000N。

原設(shè)計(jì)工況的原始參數(shù)：d=24mm；L=35mm；n=60；D=1 810mm；M=2 408 000Nm（最大值）；FN=710 000N。

其中，d為螺栓桿直徑，L為螺栓拉伸長度，n為螺栓個(gè)數(shù)，M為回轉(zhuǎn)支承受到的最大力矩，F(xiàn)N為回轉(zhuǎn)支承受到的最大壓力。

3.3 本文方法計(jì)算的結(jié)果

3.3.1 螺栓斷裂工況的計(jì)算結(jié)果

將本文的計(jì)算方法寫成小程序，結(jié)果如圖2所示，螺栓最大外拉力為103 010.1N，螺栓許用外拉力為102 986.3N，最大值大于許用值，所以M24-10.9高強(qiáng)螺栓的強(qiáng)度不滿足該工況。

3.3.2 原設(shè)計(jì)最危險(xiǎn)工況的計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如圖3所示，螺栓最大外拉力為76 859.12N，螺栓許用外拉力為102 986.3N，最大值小于許用值，所以M24-10.9高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度滿足該工況。

3.4 有限元方法驗(yàn)證

為了精確計(jì)算高強(qiáng)螺栓外拉力，建模時(shí)不施加螺栓預(yù)緊力。

3.4.1 螺栓斷裂工況的計(jì)算結(jié)果

該工況的螺栓軸向力如圖4所示，變形比例放大8 000倍，變形大小也反映了外拉力的大小，Mx處的螺栓受到的拉力最大，為98 778N。

3.4.2 原設(shè)計(jì)最危險(xiǎn)工況的計(jì)算結(jié)果

該工況的螺栓軸向力如圖5所示，變形比例放大8 000倍，Mx處的螺栓受到的拉力最大，為73 524N。

3.5 兩種方法的結(jié)果比較

由表1可以看出，本文的解析法和有限元方法所得出的結(jié)果相差4%左右，驗(yàn)證了本文方法的正確性，也驗(yàn)證了開發(fā)的小程序的可靠性。

圖2　 軟件界面（螺栓斷裂工況的計(jì)算結(jié)果）

圖3　 軟件界面（原設(shè)計(jì)最危險(xiǎn)工況的計(jì)算結(jié)果）

圖4　 螺栓斷裂工況的外拉力云圖

圖5　 原設(shè)計(jì)最危險(xiǎn)工況的外拉力云圖

4 結(jié) 論

本文根據(jù)工程力學(xué)理論，推導(dǎo)了回轉(zhuǎn)支承高強(qiáng)螺栓最大拉力的計(jì)算公式，以基于螺栓型號(hào)、強(qiáng)度等級(jí)、螺栓桿長度的高強(qiáng)螺栓許用外拉力為上限，介紹了一種比較精確的校核回轉(zhuǎn)支承高強(qiáng)螺栓的方法，依據(jù)此方法寫成計(jì)算小程序，做成人機(jī)界面，使得計(jì)算方便快捷，并運(yùn)用于一個(gè)實(shí)際工程算例，然后用有限元方法驗(yàn)證了本文方法和程序的正確可靠。

[參考文獻(xiàn)]

[1] GB/T 3811—2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2] GB/T 13752—1992，塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號(hào)］TH212；TH213.3

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366（2015）02-0048-03

［收稿日期］2014-12-10

Discussion of intensity check to high strength bolts of tower crane slewing support